【摘要】：伴隨著電力電子技術(shù)的蓬勃興起,發(fā)電機(jī)及其能量交換裝置的功能更加成熟。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率轉(zhuǎn)換水平已經(jīng)從基本的千瓦級(jí)跨越到了兆瓦級(jí),尤其是隨著海上風(fēng)電的蓬勃興起,研究高壓大容量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)已經(jīng)成為當(dāng)今乃至今后風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)步的新熱點(diǎn)之一�，F(xiàn)在,高壓風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)多由下面的組合方式構(gòu)成:一種采用高壓風(fēng)力發(fā)電機(jī)、高壓變流器組合;一種采用低壓風(fēng)力發(fā)電機(jī)、低壓變流器、變壓器組合。由于高壓變流器存在造價(jià)高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)繁復(fù)、控制系統(tǒng)要求高等缺點(diǎn),大容量發(fā)電機(jī)普遍采用第二種組合方式。但是隨著發(fā)電機(jī)容量的擴(kuò)大,發(fā)電機(jī)定子端較低的輸出電壓會(huì)導(dǎo)致機(jī)端輸出電流升高,這不僅需要載流量更大的電纜與銅排,并且使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的生產(chǎn)工藝變得更為復(fù)雜。另外,定子端電壓較低,在并入電網(wǎng)前一般需要兩個(gè)甚至多個(gè)變壓器進(jìn)行升壓,而在網(wǎng)側(cè)變流器在與電網(wǎng)相連之前也需要增加一個(gè)降壓變壓器為其提供電源支撐,這些無(wú)疑都增加了系統(tǒng)的制造成本與運(yùn)行成本。為解決高壓風(fēng)力發(fā)電機(jī)存在的難題,本文主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:(1)在雙饋風(fēng)力感應(yīng)電機(jī)(DFIG)的結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上,提出了一款新型內(nèi)饋式轉(zhuǎn)子勵(lì)磁高壓風(fēng)力發(fā)電機(jī)(Internally Fed Rotor Excitation Generator—IFREG)。該風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子設(shè)有兩套同槽布線的定子繞組,一套是高壓定子主繞組,輸出端可直接連接大電網(wǎng),輸出恒頻恒幅的交流高電壓;另一套是低壓定子輔助繞組,連接定輔側(cè)PWM變流器,通過(guò)直流母線、轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變流器可以向發(fā)電機(jī)輸入勵(lì)磁電流,解決了內(nèi)饋式轉(zhuǎn)子勵(lì)磁高壓發(fā)電機(jī)在風(fēng)速與負(fù)載情況都發(fā)生變化時(shí),所需要的勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)問(wèn)題。通過(guò)相應(yīng)的勵(lì)磁啟動(dòng)控制策略、柔性并網(wǎng)控制策略以及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行控制策略,IFREG可以有效保持其定子端感應(yīng)電壓頻率、幅值的恒定,取消或減少變壓器的數(shù)量,有效地降低系統(tǒng)的成本。(2)根據(jù)課題要求設(shè)計(jì)了一臺(tái)6kV、440kW樣機(jī),并采用有限元方法對(duì)其在空載、負(fù)載狀況下進(jìn)行了亞同步、同步和超同步有限元仿真實(shí)驗(yàn),從原理上檢驗(yàn)了 IFREG在變速恒頻(VSCF)領(lǐng)域的可行性。(3)系統(tǒng)地推導(dǎo)了 IFREG發(fā)電系統(tǒng)在abc和dq坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型;提出了IFREG的勵(lì)磁啟動(dòng)方式及其控制策略。根據(jù)其數(shù)學(xué)模型搭建了 IFREG的Matlab模型,并對(duì)離網(wǎng)狀況下IFREG在不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行了仿真分析,仿真結(jié)果與有限元仿真結(jié)果基本相同,驗(yàn)證了所搭建數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。仿真結(jié)果還表明:在離網(wǎng)狀態(tài)下,處于不同風(fēng)速情況下的內(nèi)饋式轉(zhuǎn)子勵(lì)磁高壓風(fēng)力電機(jī)可以定子端獲得頻率幅值穩(wěn)定的高電壓輸出。(4)研究了內(nèi)饋式轉(zhuǎn)子勵(lì)磁高壓風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓穩(wěn)定狀態(tài)下定輔側(cè)PWM變流器的數(shù)學(xué)模型,探討了定輔側(cè)PWM變流器的雙閉環(huán)控制策略,并在此控制策略的基礎(chǔ)上提出了一種基于勵(lì)磁啟動(dòng)電源的定輔側(cè)變流器功率補(bǔ)償控制策略。推導(dǎo)了 IFREG發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓穩(wěn)定狀態(tài)下轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的運(yùn)行機(jī)理,在此基礎(chǔ)上提出了不同于普通雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的基于定子磁鏈定向的矢量控制方法和最大風(fēng)能追蹤控制策略。(5)提出了與IFREG系統(tǒng)相匹配的并網(wǎng)控制程序與控制策略。建立了 IFREG在網(wǎng)側(cè)電壓恒定狀況下的仿真模型,對(duì)IFREG發(fā)電系統(tǒng)勵(lì)磁啟動(dòng)性能、柔性并網(wǎng)性能、負(fù)載穩(wěn)態(tài)運(yùn)、有功無(wú)功解耦控制和最大風(fēng)能追蹤能力進(jìn)行了仿真分析。(6)為了驗(yàn)證IFREG在變速恒頻發(fā)電中的運(yùn)行特性,研制了 440kW、6kV內(nèi)饋式轉(zhuǎn)子勵(lì)磁高壓風(fēng)力發(fā)電樣機(jī),并搭建了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。完成了一套可為內(nèi)饋式轉(zhuǎn)子勵(lì)磁高壓風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中電力電子開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行供電的多路高壓隔離供電系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上開(kāi)展了勵(lì)磁啟動(dòng)性能、柔性并網(wǎng)性能、負(fù)載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、有功無(wú)功解耦控制實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相符合,證明了 IFREG及其發(fā)電系統(tǒng)的可行性以及文中所提控制策略的正確性。
[Abstract]:With the flourishing development of power electronics technology, the functions of generators and their energy exchange devices have become more mature. The power conversion level of wind turbines has leaped from the basic kilowatt level to the megawatt level. Especially with the flourishing development of offshore wind power, the study of high-voltage and large-capacity wind turbines has become the wind of today and even in the future. Nowadays, the high-voltage wind power generation system is composed of the following combinations: one is composed of high-voltage wind generator and high-voltage converter; the other is composed of low-voltage wind generator, low-voltage converter and transformer. However, with the expansion of generator capacity, the lower output voltage at the stator end of the generator will lead to the higher output current. This not only requires more cables and copper bars, but also makes the production process of the wind turbine more complicated. In order to solve the problem of high-voltage wind turbines, it is necessary to add a step-down transformer to the grid-side converter before it is connected with the grid, which undoubtedly increases the manufacturing cost and operation cost of the system. The main research work and innovations are as follows: (1) Based on the structure and working principle of doubly-fed wind induction machine (DFIG), a new type of internal-fed rotor-excited high-voltage wind generator (IFREG) is proposed. The stator winding is the main winding of the high-voltage stator, and the output end can be directly connected to the large power grid to output constant frequency and constant amplitude AC high voltage; the other is the low-voltage stator auxiliary winding, connected to the stator-auxiliary side PWM converter, through the DC bus, the rotor-side PWM converter can input excitation current to the generator, which solves the problem of internal-fed rotor-excited high-voltage generator in wind speed and wind speed. Through the corresponding excitation start-up control strategy, flexible grid-connected control strategy and steady-state operation control strategy, IFREG can effectively maintain the frequency and amplitude of the stator-end induced voltage, cancel or reduce the number of transformers, and effectively reduce the cost of the system. ( 2) A 6 kV, 440 kW prototype is designed according to the requirement of the project, and its sub-synchronous, synchronous and super-synchronous finite element simulation experiments are carried out under no-load and load conditions by using finite element method. The feasibility of IFREG in the field of variable speed constant frequency (VSCF) is verified in principle. (3) The number of IFREG power generation system in ABC and DQ coordinates is deduced systematically. The mathematic model of IFREG is established, and the simulation analysis of IFREG under different rotational speeds is carried out. The simulation results are basically the same as the finite element simulation results, which verify the accuracy of the mathematic model. In the off-grid state, the high-voltage output with stable frequency amplitude can be obtained at the stator end of the internal-fed rotor-excited high-voltage wind turbine under different wind speeds. (4) The mathematical model of the PWM converter at the stator-auxiliary side of the internal-fed rotor-excited high-voltage wind power generation system under the grid voltage stability is studied, and the PWM converter at the stator-auxiliary side is discussed. Based on the double closed loop control strategy, a power compensation control strategy of stator-auxiliary converter based on excitation start-up power supply is proposed. The operation mechanism of rotor-side converter in IFREG power generation system under grid voltage stability is deduced. On this basis, different from ordinary doubly-fed wind turbine is proposed. Based on the stator flux oriented vector control method and the maximum wind energy tracking control strategy. (5) A grid-connected control program and control strategy matching the IFREG system are proposed. A simulation model of IFREG system under constant grid-side voltage is established. The excitation start-up performance, flexible grid-connected performance, load steady-state operation, active and reactive power of the IFREG power generation system are analyzed. (6) In order to verify the operation characteristics of IFREG in VSCF power generation, a 440kW, 6kV internal-fed rotor-excited high-voltage wind power generator prototype was developed, and a system experimental platform was built. A set of power electronics for internal-fed rotor-excited high-voltage wind power generation system was completed. Experiments on excitation start-up performance, flexible grid-connection performance, steady-state load operation and active and reactive power decoupling control are carried out on the experimental platform. The experimental results are in agreement with the simulation results, which prove the feasibility of IFREG and its power generation system and the correctness of the control strategy proposed in this paper.
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TM315

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本文編號(hào)：2203002